Nghiên cứu và xây dựng hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy

TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN
THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY
Giảng viên hướng dẫn: TH. S. PHAN THỊ THANH NGỌC
Sinh viên thực hiện: NGHIÊN VĂN TOẢN
Lớp : Đ5-ĐTVT2
Khóa : 2010-2015
Hà Nội, tháng 01 năm 2015
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN
THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY
Giảng viên hướng dẫn: TH. S. PHAN THỊ THANH NGỌC
Sinh viên thực hiện: NGHIÊN VĂN TOẢN
Lớp : Đ5-ĐTVT2
Khóa : 2010-2015
Hà Nội, tháng 01 năm 2015
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, mạng không dây vẫn đang phát triển rất nhanh trên toàn Thế Giới và
lợi ích mà nó mang lại vô cùng to lớn. Tuy nhiên mạng không dây ngày nay vẫn còn
đang sử dụng sóng vô tuyến là phương tiện truyền dẫn chính và tồn tại một số nhược
điểm như băng thông sẽ dần bị sử dụng hết, hạn chế khi sử dụng trong một số môi
trường đặc biệt như bệnh viện, trên máy bay và những nơi có các máy móc nhạy với
sóng vô tuyến Mặt khác, sự phát triển mạnh của diode phát quang (Light Emitting

Diode-LED) cùng với những ưu điểm của nó như hiệu quả chiếu sáng cao, độ bền cao
và đặc biệt là tiết kiệm năng lượng đang mở ra một hướng đi mới trong truyền thông
tin không dây.
Công nghệ truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light
Communication-VLC) đang nổi lên như là một công nghệ truyền thông tin trong tương
lai. Đặc biệt hơn, chúng ta có thể xây dựng hạ tầng vừa dùng để chiếu sáng, vừa dùng
để truyền thông tin sử dụng nguồn phát là các bóng đèn LED.
Vì những lý do trên, em đã lựa chọn đề tài đồ án tốt nghiệp là: “NGHIÊN CỨU VÀ
XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN
THẤY”
Nội dung của đồ án bao gồm 3 phần:
Chương I: Tổng quan về công nghệ truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy.
Chương II: Nghiên cứu hệ thống truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy.
Chương III: Xây dựng hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy.
Do thời gian và hiểu biết còn nhiều hạn chế, nên chắc chắn đồ án không tránh
khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ dẫn của thầy cô giáo và
ý kiến đóng góp của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, tháng 01 năm 2015
Sinh viên: Nghiên Văn Toản
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: “NGHIÊN CỨU VÀ XÂY
DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY” em
đã nhận được sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, cũng như sự giúp
đỡ nhiệt tình của các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn tới cô giáo: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc, người đã
trực tiếp định hướng, chỉ dẫn, cung cấp tài liệu và truyền đạt những kiến thức bổ ích
giúp em hoàn thành tốt đồ án này.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trường Đại Học Điện Lực đã tận tình
chỉ bảo, dạy dỗ em trong suốt thời gian em học tập tại trường.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh, chị và các bạn trên các diễn đàn đã giúp
đỡ em phần tài liệu để hoàn thành đồ án.
Đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được sự đóng góp và chỉ
bảo từ các thầy cô cũng như quý bạn đọc để đồ án được hoàn thiện hơn.
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
NHẬN XÉT
(Của giảng viên hướng dẫn)
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
MỤC LỤC
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH
Bảng 1.1. Chu trình phát triển công nghệ VLC.
Bảng 2.1: Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa độ màu x,y.
Bảng 2.2: Các trường hợp kết hợp dải màu hợp lệ.
Bảng 2.3: Tọa độ của các ký hiệu với ba dải màu được chọn.
Bảng 2.4: Bảng mã hóa 4B5B và M-4B5B.
Bảng 2.5: Bảng mã hóa 4B6B.
Bảng 2.6: Tốc độ của các phương pháp điều chế với các loại mã hóa.
Bảng 2.7: Sự khác biệt đầu vào của các dải kênh màu.
Bảng 2.8: Sự khác biệt đầu ra giữa các kênh màu.
Bảng 2.9: Một số loại Diode Pin.
Bảng 3.1: Các ứng dụng với môi trường trong nhà.
Hình 1.1: Quang phổ ánh sáng nhìn thấy.
Hình 1.2: Phía phát của photophone.
Hình 1.3: Phía thu của photophone.
Hình 1.4: Truyền thông tin sử dụng bóng đèn LED.
Hình 1.5: Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy.
Hình 1.6: Truyền thông bằng công nghệ PLC.
Hình 1.7: Cấp nguồn và kết nối LED thông qua cáp Ethernet.
Hình 2.1: Mô hình thành phần phát trong một hệ thống VLC.
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của LED.

Hình 2.3: Hai loại LED phát ánh sáng trắng.
Hình 2.4: Phổ phát xạ của LED đơn chip và LED RGB.
Hình 2.5: Mối quan hệ giữa PLL và MLL.
Hình 2.6: Điều chế NRZ-OOK.
Hình 2.7: Hàm cở sở (a) và không gian tín hiệu NRZ-OOK (b).
Hình 2.8: Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm các ký hiệu dư thừa CS.
Hình 2.9: Hàm cơ sở của 2-PPM.
Hình 2.10: Mô hình VPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng 50%(a) và PWM để
điều chỉnh độ sáng (b).
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
Hình 2.11: Dạng sóng của tín hiệu VPM với độ rộng xung 75%.
Hình 2.12: Điều chỉnh sáng tối trong điều chế VPM.
Hình 2.13: Tín hiệu cơ bản của hai phương pháp RZ và IRZ.
Hình 2.14: Tín hiệu R-RZ cơ bản.
Hình 2.15: Dạng sóng của R-RZ với 50 % chu kì làm việc.
Hình 2.16: Điều khiển sáng tối trong R-RZ.
Hình 2.17. Hàm gán màu X,Y,Z.
Hình 2.18: Không gian màu CIE 1931 với hai trục x,y và 7 dải màu 000 đến
110…
Hình 2.19: Qúa trình mã hóa dữ liệu.
Hình 2.20: Không gian ký hiệu 4-CSK.
Hình 2.21: Ánh xạ dữ liệu đối với 4-CSK.
Hình 2.22: Không gian tín hiệu 8-CSK.
Hình 2.23: Ánh xạ dữ liệu đối với 8-CSK.
Hình 2.24: Không gian ký hiệu 16-CSK.
Hình 2.25: Ánh xạ dữ liệu đối với 16-CSK.
Hình 2.26: Mô hình lớp vật lý trong VLC.
Hình 2.27: Mô hình cho phép đạt được cả 3 chức năng trong VLC.
Hình 2.28: Mã hóa 4B5B và M-4B5B với NRZ-OOK.
Hình 2.29: Độ nhấp nháy của NRZ-OOK khi sử dụng 4B5B và M-4B5B.

Hình 2.30: Mã hóa 4B5B và 4B6B với NRZ-OOK.
Hình 2.31: Độ nhấp nháy của NRZ-OOK sử dụng 4B5B và 4B6B.
Hình 2.32: Khối mã hóa và điều chế VPM.
Hình 2.33: Mô hình kênh truyền VLC IM/DD.
Hình 2.34: Mô hình kênh VLC trong nhà.
Hình 2.35: Mô hình dải kênh màu.
Hình 2.36: Mô hình một màu cho một đèn.
Hình 2.37: Mô hình nhiều màu cho một đèn.
Hình 2.38: Mô hình kết nối trong VLC.
Hình 2.39: Mô hình kết nối Narrow-LOS.
Hình 2.40: Mô hình kết nối Wide-WLOS.
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
Hình 2.41: Mô hình kết nối NLOS.
Hình 2.42: Các bước thu tín hiệu trong VLC.
Hình 2.43: Cấu tạo của PIN- Photodiode.
Hình 2.44: Cấu tạo của Diode quang thác APD.
Hình 2.45: Chip cảm biến hình ảnh CMOS.
Hình 2.46: Bộ tập trung quang CPC.
Hình 2.47: Qúa trình phản xạ tại CPC.
Hình 2.48: Phía thu của hệ thống VLC.
Hình 3.1: Mô hình hệ thống VLC trong nhà.
Hình 3.2: Mô hình VLC cho ứng dụng giao thông.
Hình 3.3: Mô hình ứng dụng VLC cho các trạm thu phí.
Hình 3.4: Mô hình VLC ngoài trời sử dụng PIN mặt trời.
Hình 3.5: Mô hình truyền thông tin bằng công nghệ VLC.
Hình 3.6: Sơ đồ chân IC LM339N.
Hình 3.7: Sử dụng bộ so sánh với điện áp gim vào đầu dương.
Hình 3.8: Sử dụng bộ so sánh với điện áp gim vào đầu âm.
Hình 3.9: Khối phát thông tin của hệ thống VLC trong nhà.
Hình 3.10: Dạng sóng trên khối phát thông tin.

Hình 3.11: Khối thu thông tin.
Hình 3.12: Mạch Max3232 bên phía thu.
Hình 3.13: Giao diện phần mềm Hercules.
Hình 3.14: Dạng sóng đầu ra của mạch thu trên Oscilloscope .
Hình 3.15: Dạng sóng đầu ra của IC Max3232 bên phía thu với tốc độ Baud
19200.
Hình 3.16: Dạng sóng mạch thu với tốc độ Baud quá lơn.
Hình 3.17: Mạch phát với 8 LED trắng.
Hình 3.18: Mô hình dự án OMEGA.
Hình 3.19: Mô hình hệ thống VLC của viện truyền thông Fraunhofer.
Hình 3.20: Mô hình hệ thống truyền dẫn MIMO-VLC………………….
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
APD Avalanche Photodiode Diode tách quang thác
AWGN Additive White Gaussian Noise
Tạp âm Gaussian trắng
cộng
CMOS
Comlementary-Metal-Oxide-
Semiconductor
Vi mạch tích hợp
CPC Compound Parabolic Concentrator
Bộ tập trung quang
parabol kết hợp
CS Compensation Symbol Ký hiệu dư thừa
CSK Color Shift Keying Khóa dịch màu
EU European Union Liên minh Châu Âu
FOV Field of View Trường nhìn thấy
IM/DD

Intensity-Modulation/Direct-
Detection
Điều chế cường độ/tách
sóng trực tiếp
ISI Intersymbol Interference Xuyên nhiễu
JEITA
Japan Electronics and Information
Technology Industries Association
Hiệp hội công nghệ thông
tin và điện tử Nhật Bản
LED Light Emitting Diode Diode phát quang
Li-Fi Light Fidelity
Truyền thông không dây
sử dụng ánh sáng nhìn
thấy
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
LOS Line of Sight Đường nhìn thấy
MFTP Maximum Flickering Time Period
Thời gian nhấp nháy tối
đa
MIMO Multi-Input Multi-Output
Kỹ thuật truyền dẫn đa
thu phát
MLL Mesuared Level of Light Mức ánh sáng đo được
NRZ None-Return-to-Zero Không trở về 0
OFDM
Orthogonal-Frequency-Division-
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao

OOK On-Off Keying Khóa bật tắt
PLC Power Line Communication
Truyền thông bằng đường
điện
PLL Perceived Level of Light
Mức độ sáng cảm nhận
được
PoE Power over Ethernet
Cấp nguồn qua cáp
Ethernet
PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung
PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất
RF Radio Frequency Sóng vô tuyến
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
VLC Visible Light Communication
Truyền thông bằng ánh
sáng nhìn thấy
VPPM Variable Pulse Position Modulation
Điều chế vị trí xung biến
đổi
Wi-Fi Wireless Fidelity
Truyền thông không dây
sử dụng sóng vô tuyến
PD Photoditector Bộ tách sóng quang
RGB RED- GREEN- BLUE Đỏ- Lục- Lam
PHY Physical Layer Lớp vật lý
FEC Forward Error Correction Mã hóa FEC
WDM wavelength-division multiplexing Ghép kênh phân chia
theo bước sóng

GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
14
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG
ÁNH SÁNG NHÌN THẤY
1.1 Khái niệm truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy.
Visible Light Communication (VLC) là công nghệ truyền thông tin không dây
bằng cách sử dụng sóng mang là ánh sáng nhìn thấy phát ra từ các bóng đèn LED.
Ánh sáng nhìn thấy được (Visible Light) là dạng sóng với các bước sóng nằm
trong khoảng mắt người có thể nhìn thấy được từ 380nm đến 750nm Hình 1.1.
Hình 1.1: Quang phổ ánh sáng nhìn thấy.
Công nghệ VLC được thực hiện bằng cách điều chế tín hiệu vào cường độ ánh
sáng được phát ra từ các đèn LED, việc điều chế được thực hiện sao cho mắt người
không thể nhận ra sự thay đổi đó. Ánh sáng mang theo dữ liệu khi đến phía thu sẽ
được nhận bởi Photodiode (PD) hoặc chip cảm biến hình ảnh CMOS, sau đó thực hiện
giải điều chế từ tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
15
1.2 Ý tưởng hình thành và phát triển của công nghệ VLC.
Ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền thông tin không hề mới mẻ. Vào
ngày 19 tháng 02 năm 1880 nhà khoa học Scotland là Alexander Graham Bell, đã phát
minh ra thiết bị photophone tại phòng thí nghiệm ở Washington DC cùng với cộng sự
của ông là Charles Tainer. Thiết bị này cho phép truyền thông tin nhờ vào việc sử
dụng ánh sáng mặt trời. Nguyện lý hoạt động của thiết bị này như sau:
• phía phát:
Ánh sáng sẽ được hội tụ qua thấu kính, đến phía ống nói, tại phần ống này sẽ
được gắn một chiếc gương mảnh, có thể thay đổi cường độ ánh sáng chiếu đến
theo âm thanh phát vào ống nói. Nhờ đó mà thông tin được điều chế vào ánh
sáng nhìn thấy và được truyền đi đến phía thu. Hình 1.2:
Hình 1.2: Phía phát của photophone.
• phía thu:

Phía thu gồm một nguồn điện nối với một Pin Selenium đặt ở tâm của một
gương Parabol. Pin Selenium sử dụng một vật liệu có tên Selenium, là chất bán
dẫn có điện trở khoảng 100 Ω đến 300 Ω và điện trở của vật liệu này sẽ giảm
dần theo cường độ ánh sáng chiếu vào nó.
Ánh sáng sẽ được tập trung vào chiếc Pin này và cường độ sáng thay đổi sẽ
khiến điện trở của Pin cũng thay đổi theo, tạo ra dòng điện thay đổi làm rung
màng rung của ống nghe và phát ra âm thanh đến tai của người nghe. Với thiết
bị này có thể truyền đi khoảng 200m với ánh sáng mặt trời và ngắn hơn với
ánh sáng của bóng đèn.
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
16
Hình 1.3: Phía thu của photophone.
Hiện nay, việc phát minh ra bóng đèn LED để chiếu sáng đã mang lại cơ hội rất
lớn để kết hợp chiếu sáng và truyền dẫn thông tin với công nghệ VLC, trong đó sử
dụng đèn LED là nguồn phát. Nguyên lý là khi thay đổi dòng điện cấp cho LED thì
cường độ sáng của LED cũng thay đổi theo và sự thay đổi này diễn ra rất nhanh mà
mắt thường không thể nhận biết được. Từ đó thông tin có thể được điều chế vào ánh
sáng của bóng đèn và truyền đến phía thu.
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
17
Chu trình phát triển của cộng nghệ VLC được đưa ra trong bảng 1.1 sau:
Thời
gian
Sự kiện
2004 Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trên thiết bị di
động tại Nhật Bản.
2005 Thử nghiệm thực tế hệ thống truyền dẫn VLC tới điện thoại di động
với tốc độ 10 kb/s và vài Mb/s sử dụng đèn huỳnh quang và LED tại
Nhật Bản.
2007 Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng đèn nền LED tời

thiết bị cầm tay, hãng tivi Fuji Nhật Bản.
2007 Hiệp hội VLC(VLCC) tại Nhật Bản đưa ra hai chuẩn: Tiêu chuẩn cho
hệ thống định danh sử dụng ánh sáng và tiêu chuẩn cho hệ thống VLC.
Hiệp hội công nghệ thông tin và điện tử Nhật Bản-JEITA đã chấp nhận
các tiêu chuẩn này thông qua hai văn bản JEITA CP-1221 và JAITA
CP-1222.
2008 Phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng gia đình sử dụng ánh sáng
và tia hồng ngoại để truyền dẫn thông qua dự án OMEGA của EU.
Thực hiện truyền dẫn sử dụng 5 đèn LED với tốc độ ~100Mb/s.
2009 VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của họ trong đó xác
định phổ tần số sử dụng VLC.
2010 Phát triển công nghệ VLC cho các thiết bị điện như TV, PC, điện thoại
di động ở đại học Califinia, USA.
2010 Công bố hệ thống địn vị toàn cầu GPS với môi trường trong nhà ở
Nhật Bản.
2010 Thuyền dẫn với hệ thống VLC đạt tốc độ 500Mb/s với khoảng cách
5m, thực hiện bởi Siemen và viện Heinrich Het, Đức.
2010 Phát triển tiêu chuẩn cho các công nghệ sử dụng VLC bởi IEEE.
2011 Trình diễn hệ thống truyền dẫn VLC-OFDM với tốc độ 124Mb/s, sử
dụng LED trắng phủ phosphor, đại học Edinburgh, Anh.
8/2013 Giáo sư Harald Haas đã thực hiện truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 1.6
Gbit/s thông qua đèn LED đơn sắc.
4/2014 Một công ty của Nga là Stins Coman đã thực hiện một mạng nội bộ
không dây có tốc độ truyền dữ liệu lên tới 1.25 Gbyte/s.
Bảng 1.1. Chu trình phát triển công nghệ VLC.
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
18
Hình 1.4: Truyền thông tin sử dụng bóng đèn LED.
Công nghệ này cho phép truyền tải thông tin với tốc độ rất cao, trong khi ta vẫn
sử dụng được bóng đèn LED vào việc chiếu sáng. Tuy nhiên, công nghệ VLC sinh ra

không phải để thay thế cho công nghệ WIFI, mà hai công nghệ này sẽ hỗ trợ nhau
trong việc cung cấp băng thông cho mạng không dây.
1.3 Ưu điểm của công nghệ VLC
Hiện nay, phổ tần của sóng vô tuyến (Radio Frequency-RF) đang ngày càng cạn
kiệt và việc mở rộng băng thông rất hạn chế. Thêm vào đó, việc sử dụng sóng vô tuyến
lại gây nhiễu với các hệ thống điện tử xung quang đặc biệt là các thiết bị trong bệnh
viện và gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người. Công nghệ VLC có rất nhiều ưu điểm
vượt trội so với công nghệ sử dụng sóng vô tuyến RF hiện tại.
1.3.1 Dung lượng
Hình 1.5: Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy.
• Băng thông lớn: Phổ tần của sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp 10,000
lần so với phổ sóng vô tuyến và hoàn toàn miễn phí khi sử dụng.
• Mật độ dữ liệu: công nghệ VLC có thể đạt được mật độ dữ liệu gấp 1000 lần so
với WIFI bởi ánh sáng nhìn thấy không xuyên qua vật cản nên chỉ tập trung
trong một không gian, trong khi sóng vô tuyến có xu hướng thoát ra ngoài dẫn
tới suy hao và gây nhiễu.
• Tốc độ cao: công nghệ VLC có thể đạt được tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp,
băng thông lớn và cường độ chiếu sáng lớn ở đầu ra.
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
19
1.3.2 Hiệu quả cao
• Chi phí thấp: Công nghệ VLC yêu cầu ít thành phần hơn so với công nghệ sử
dụng sóng vô tuyến nên chi phí cho một hệ thống sẽ thấp hơn.
• Sử dụng đèn LED vừa để chiếu sáng, vừa để truyền thông tin có hiệu quả rất
cao: tiêu thụ năng lượng thấp, hiệu quả chiếu sáng cao, giá thành tương đối rẻ
và độ bền cao.
• Truyền thông dưới nước: việc truyền thông tin dưới nước đối với sóng vô tuyến
là rất khó khăn, nhưng đôi với công nghệ VLC thì có thể thực hiện việc đó dễ
dàng hơn.
1.3.3 An toàn

• An toàn đối với sức khỏe con người.
• Việc truyền dẫn bằng sóng ánh sáng không gây nhiễu đối với máy bay, không
gây nhiễu với các máy móc sử dụng trong bệnh viện.
1.3.4 Bảo mật
• Vì truyền thông bằng sóng ánh sáng chỉ tập trung ở một khu vực nhất định,
không thể đâm xuyên qua các vật thể nên sẽ rất khó để thu thập hay do thám
các tín hiệu thông tin.
• Không cần các phương pháp bảo mật phức tạp, do là ánh sáng nhìn thấy nên
việc quản lý truyền dẫn thông tin vô cùng dễ dàng.
Công nghệ VLC rất phù hợp cho các ứng dụng yêu vầu đường xuống tốc độ cao,
trong khi chỉ cần đường lên với tốc độ thấp như: download video, audio, duyệt Web…
Qua đó, ta có thể giải quyết được vấn đề quá tải trong mạng truyền thông tin không
dây.
1.4 Các thành phần trong hệ thống VLC.
Một hệ thống VLC bao gồm 3 thành phần chính: Hệ thống phát, kênh truyền và
hệ thống thu.
Một thiết bị đầu cuối để truyền được thông tin cần phải được tích hợp cả hai
thành phần phát và thu là đèn LED và cảm biến ảnh.
Hệ thống phát sử dụng các đèn LED để truyền tải thông tin với tốc độ lên tới
hàng Gb/s. Có rất nhiều loại LED được sử dụng để phát ra ánh sáng trắng bao gồm
LED đơn màu phủ phosphor (Phosphor based-LED) hoặc LED RGB (Red-Green-
Blue). Với LED RGB, mỗi một màu ta có thể sử dụng để truyền một kênh dữ liệu
riêng biệt. Với mục đích sử dụng cả cho chiếu sáng nên LED đơn màu được ưu tiên
lựa chọn bởi giá thành rẻ và hiệu quả chiếu sáng cao.
Do chúng ta sử dụng các bóng đèn LED để truyền thông tin, nên cần phải có các
cách khác nhau để kết nối các bóng đèn LED với các mạng dữ liệu hiện tại. Có hai
cách để nối LED với mạng dữ liệu hiện tại:
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
20
• Sử dụng kết hợp với công nghệ truyền thông tin bằng đường điện lực (power

line communicaton- PLC). Công nghệ này cho phép truyền thông tin qua mạng
điện sẵn có. Bằng cách kết hợp này, chúng ta sẽ có thể tận dụng đường cáp điện
lực để cấp nguồn điện và truyền tải thông tin tới các đèn LED.
Hình 1.6: Truyền thông bằng công nghệ PLC.
• Truyền thông qua Ethernet (Power over Ethernet-PoE). Việc cấp nguồn và
truyền thông tin tới bóng đèn sẽ được thực hiện thông qua một cáo nối Ethernet.
Mặc dù công suất cung cấp giới hạn chỉ vào khoảng 50w đối với cáp Cat5
nhưng công suất này vẫn hoàn toàn đủ đáp ứng đối với các bóng đèn LED hiện
tại.
Hình 1.7: Cấp nguồn và kết nối LED thông qua cáp Ethernet.
Cả hai phương pháp trên nổi bật hơn cả bởi vì chúng ta không phải chia đường
nguồn và đường dữ liệu riêng tới các đèn LED.
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
21
Công nghệ truyền thông bằng đường dây điện lực có ưu điểm là không yêu cầu
thêm một kết nối nào khác vào mạng đèn chiếu sáng có sẵn. Còn đối với công nghệ sử
dụng cáp Ethernet (PoE) sẽ rất hiệu quả trong việc triển khai lắp đặt mới.
Đối với phía thu, các thiết bị điện tử như Laptop, smartphone ngày nay đều
được tích hợp camera. Dó đó chúng ta có thể tận dụng nó làm bộ phận thu. Hay có thể
tích hợp thêm diode tách quang (Photodetector) trên các thiết bị, phần tử này sẽ thu tín
hiệu quang và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện.
Để có thể đưa thông tin cần truyền vào ánh sáng chúng ta cần phải có các kỹ
thuật điều chế. Có rất nhiều kỹ thuật điều chế như điều chế khóa bật tắt (ON/OFF
keying-OOK), điều chế độ rộng xung (Pulse Width modulation-PWM), điều chế vị trí
xung (pulse Position Modulation-PPM), điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude
Modulation-PAM), ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing-OFDM) hay điều chế khóa dịch màu (Color-Shift Keying-CSK)
và một số phương pháp điều chế khác.
1.5 Kết luận chương.
Trên đây là tất cả các thông tin cơ bản về công nghệ truyền thông tin bằng ánh

sáng nhìn thấy-Visible Light Communication. Như chúng ta đã thấy, công nghệ này có
rất nhiều ưu thế so với công nghệ truyền thông tin bằng sóng vô tuyến hiện tại. Tuy
nhiên hiện tại công nghệ này vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn công nghệ truyền thông
tin sử dụng sóng vô tuyến, mà chúng sẽ hỗ trợ nhau trong việc cung cấp dữ liệu và
giảm quá tải cho hệ thống RF hiện tại. Chương tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết
về cấu tạo , các phương pháp điều chế và phương pháp truyền thông tin trong hệ thống
VLC.
1
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
22
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH
SÁNG NHÌN THẤY
Trong chương này sẽ trình bày một cách chi tiết về từng thành phần cụ thể để tạo
nên một hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy, cũng như các phương
pháp điều chế và mã hóa được sử dụng trong hệ thống. Một hệ thống truyền thông tin
bằng ánh sáng nhìn thấy bao gồm ba thành phần chính:
• Thành phần phát (sử dụng các dèn LED).
• Thành phần thu (sử dụng Photodiode hoặc cảm biến ảnh CMOS).
• Mô hình kênh, các phương pháp điều chế và mã hóa.
2.1 Thành phần phát trong hệ thống VLC.
Thành phần phát trong một hệ thống VLC là thành phần có chức năng đưa thông
tin cần truyền vào trong ánh sáng được phát ra từ các đèn LED, sau đó phát ánh sáng
ra môi trương không gian. Mô hình của thành phần phát như sau:
Hình 2.1: Mô hình thành phần phát trong một hệ thống VLC.
Với công nghệ ngày càng phát triển, đèn LED được nghiên cứu và cải tiến đang
nổi lên như là một phương tiện chiếu sáng thay thế cho đèn huỳnh quang và đèn sợi
đốt với các ưu điểm vượt trội như: Hiệu quả chiếu sáng cao, tiêu thụ ít điện năng, giá
thành rẻ và đặc biệt là độ bền rất cao. Chính vì lý do này, mà đèn LED được sử dụng
vừa để làm nguồn phát sáng, vừa dùng làm phương tiện để truyền thông tin trong hệ
thống VLC.

Nguyên lý hoạt động của đèn LED:
• Khi phân cực thuận cho LED sẽ có dòng bơm qua LED làm cho các điện tích
đang ở vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn. Đây là hiện tượng đảo mật độ do ở điều
kiện bình bình thường, nồng độ điện tử ở vùng hóa trị sẽ rất lớn so với nồng độ
điện tử ở vùng dẫn nhưng khi được kích thích, các điện tử nhảy mức năng
lượng làm cho điện tử ở vùng dẫn lớn hơn so với nồng độ ở vùng hóa trị. Đồng
thời, dưới tác dụng của điện trường phân cực thuận, các điện tử từ lớp N sẽ
được khuếch tán sang lớp tích cực và các lỗ trống từ lớp P cũng được khuếch
tán sang lớp tích cực. Tại đây, các cặp điện tử và lỗ trống sẽ tái hợp (re-
combine) và phát xạ ra photon ánh sáng. Hiện tượng phát xạ ở đây chủ yếu là
hiện tượng phát xạ tự phát.
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
23
Hiện tượng này được mô tat như hình 2.2 dưới đây:
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của LED.
Với mục đích kết hợp để chiếu sáng, loại LED được sử dụng trong VLC thường
là LED đơn sắc (một trong ba màu RGB) và LED phát ánh sáng trắng (White LED).
Có hai cách thông dụng để tạo ra ánh sáng trắng tương ứng với hai loại LED khác
nhau:
• Loại thứ nhất sử dụng một chíp bán dẫn xanh (Blue) và sau đó được phủ thêm
một lớp Phosphor bên ngoài hay còn được gọi lên là “LED xanh trắng đơn
chip”. Khi dòng điện được cung cấp cho chip LED màu xanh, chip này sẽ phát
ra ánh sáng xanh, phosphor sau đó được kích thích bởi ánh sáng màu xanh thì
sẽ phát ra huỳnh quang màu vàng. Sự kết hợp giữa hai ánh sáng này sẽ tạo ra
ánh sáng trắng.
• Loại LED thứ hai cấu tạo với ba chíp màu riêng biệt: Red bước sóng 625 nm,
Green bước sóng 525 nm, Blue bước sóng 470 nm. Sau đó ba màu này sẽ được
trộn lại với nhau để tạo ra ánh sáng trắng.
Hình 2.3: Hai loại LED phát ánh sáng trắng.
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản

24
Hình 2.4: Phổ phát xạ của LED đơn chip và LED RGB.
LED đơn chip phủ phosphor sẽ có giá thành rẻ hơn, mạch điều khiển ít phức tạp
hơn tuy nhiên băng thông lại bị hạn chế. Thêm nữa, lớp phosphor chỉ phát ra ánh sáng
sau khi chip màu xanh phát xạ, do vậy tốc độ đáp ứng của LED đơn chip sẽ thấp hơn
so với LED RGB. LED đơn chip có băng thông hạn chế do ảnh hưởng của lớp
Phosphor, do vậy ta có thể khắc phục được nhược điểm này bằng cách sử dụng một
bộ lọc (Blue Filter) ở phía thu trước khi ánh sáng được đưa đến Photodiode. LED
RGB có thể cung cấp 3 kênh truyền dẫn riêng biệt, mỗi kênh ứng với một chip LED,
thích hợp với phương thức ghép kênh quang WDM. Một vấn đề cần được chú ý là cần
phải đảm bảo sự cân bằng màu sắc của ánh sáng không bị thay đổi khi truyền dẫn
thông tin với VLC.
Do LED vừa được sử dụng để chiếu sáng, vừa dùng để truyền thông tin nên có
hai đại lượng ta cần xác định đó là cường độ chiếu sáng và công suất quang truyền đi.
Cường độ chiếu sáng được dùng để để thể hiện độ sáng của bóng đèn LED, còn công
suất quang truyền dẫn chỉ ra tổng lượng quang phát xạ từ LED.
Cường độ chiếu sáng được tính thông qua quang thông qua mỗi góc khối theo công
thức 2.1:
2.1
Trong đó là quang thông và là góc không gian, có thể được tính từ theo công thức
2.2:
2.2
Trong đó: là đường cong độ sáng tiêu chuẩn, là độ sáng tối đa vào khoảng ~680lm/W
tại bước sóng 555 nm.
Công suất quang truyền đi được tính theo công thức 2.3:
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản
25
2.3
Với và được xác định dựa vào đường cong độ nhạy của Diode tách quang.
(Lumen ký hiệu: lm là đơn vị SI dùng để đo tổng lượng quang thông bức xạ từ nguồn

sáng phát ra. Tuy nhiên quang thông khác với công suất, quang thông phản ánh sự
thay đổi độ nhạy ở mắt người đối với các bước sóng khác nhau trong khi đó công suất
quang cho ta thấy toàn bộ năng lượng của ánh sáng được bức xạ ra dù cho mắt người
có cảm nhận được hay không).
GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản